超聲波熱量表的設(shè)計(jì)研究

趙飛，仇國富

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094）

0 引言

熱能表按所用流量傳感器的不同主要分為機(jī)械式熱能表、電磁式熱能表和超聲波熱能表。機(jī)械式熱能表結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格較低，但抗雜質(zhì)和纖維能力差，對(duì)水質(zhì)要求較高，長期使用會(huì)因機(jī)械部件的磨損造成測量精度的降低;電磁式熱能表不論結(jié)構(gòu)還是測量原理都較復(fù)雜，而且價(jià)格較高，所以很少用于戶用計(jì)量;超聲波式熱能表對(duì)水質(zhì)要求略低，而且對(duì)介質(zhì)成分沒有要求，測量精度高，測量傳感器沒有運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件，幾乎沒有磨損，但其價(jià)格相對(duì)較高。近幾年來，機(jī)械式熱能表在市場上所占的份額逐年減小，超聲波熱能表則逐漸上升，已經(jīng)成為當(dāng)今熱能表的發(fā)展趨勢［1］。

本文設(shè)計(jì)了一種采用MSP430單片機(jī)和TDC-GP2為主體的超聲波熱量表，并從測量原理、硬件和軟件方面進(jìn)行了闡述。

1 超聲波熱量表測量原理

超聲波熱量表是在超聲波流量計(jì)的基礎(chǔ)上加上溫度測量，由流體的流量和供、回水溫差來計(jì)算出向用戶提供的熱量。其中流量測量部分是應(yīng)用一對(duì)超聲波換能器相向交替（或同時(shí)）收發(fā)超聲波，通過觀測超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時(shí)間差來間接測量流體的流速，再通過流速來計(jì)算流量的一種間接測量方法。

以往的超聲波熱能表的測量管道多采用斜射式，即超聲波的飛行路徑與水流的方向成一定的角度。這在一定程度上給測量帶來很大的影響，一方面管道管壁會(huì)對(duì)超聲波信號(hào)起到一定的衰減作用，另一方面超聲波傳感器入射角的選擇不當(dāng)同樣會(huì)造成接收信號(hào)強(qiáng)度降低，而且傳感器的安裝配置也很麻煩，直接影響了測量精度。本文設(shè)計(jì)的直通式管道完全避免了以上這些問題。超聲波信號(hào)在傳感器之間直線傳播，傳感器可通過螺紋連接固定在管道中，這不但簡化了傳感器在管道上的安裝及配置方式，而且簡化了流量的計(jì)算，更利于提高測量精度。具體測量原理示意圖如圖1所示。

圖1 直通式時(shí)差法測量原理示意圖

超聲波順流傳播時(shí)間為:

其中:L為超聲波傳播距離，C為超聲波在水中的傳播速度，V為水流速度。

同理，超聲波逆流傳播時(shí)間為:

兩式相減得超聲波在順逆流中傳播時(shí)差為:

超聲波在水中的速度約為1 500 m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水流的速度，因此上式可簡化為:

最終可得水流速度:

瞬時(shí)流量:

其中:D為管道直徑，K為流速修正系數(shù)。圖2為本系統(tǒng)直通式管道示意圖:

圖2 直通式管道示意圖

這樣，通過超聲波傳播的時(shí)間差先求出瞬時(shí)流量，進(jìn)而就可以獲得消耗的熱量了。

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體要求，按模塊化的電路設(shè)計(jì)思想，本熱量表的硬件系統(tǒng)以單片機(jī)和外圍功能電路組成，硬件電路邏輯框圖如圖3所示。

圖3 硬件電路邏輯框圖

2.1 MSP430 單片機(jī)

為了降低功耗，延長系統(tǒng)工作時(shí)間，擬選用超低功耗的16位MSP430單片機(jī)。

MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)16位的精簡指令構(gòu)架，能夠?qū)崿F(xiàn)在1.8～3.6 V的低電壓下工作;具有超低的功耗，在 2.2 V，4 kHz的條件下工作時(shí)，電流消耗僅有 2.5 μA;具有一種活動(dòng)模式和五種低功耗模式，在休眠模式下，電流僅有0.7 μA，具有極快的響應(yīng)速度，CPU 可以在 6 μs的時(shí)間內(nèi)被喚醒，進(jìn)入活動(dòng)模式執(zhí)行中斷服務(wù)程序，一旦程序執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)又會(huì)返回到中斷前的狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行低功耗。

MSP430內(nèi)部集成了諸如看門狗（WDT）、定時(shí)器、模擬比較器、串口、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、ADC等外圍模塊，具有非常強(qiáng)大的功能［2］，特別適合用在各種小型、省電、可移動(dòng)的設(shè)備之中。MSP430的片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。

2.2 利用TDC-GP2實(shí)現(xiàn)流量和溫度采集

為減小超聲波熱量能的流量計(jì)量誤差，降低熱量表的成本，選用性能優(yōu)越，價(jià)格較低的TDC-GP2。

TDC-GP2很適合低成本的超聲波熱量計(jì)設(shè)計(jì)。由于其良好的功能性（包括精確的溫度測量，觸發(fā)脈沖產(chǎn)生器，窗口和時(shí)鐘校準(zhǔn)器），加上一個(gè)簡單的微處理器（不需要A/D轉(zhuǎn)換）和一個(gè)傳感驅(qū)動(dòng)與接收器，可以構(gòu)成一個(gè)完整的超聲波熱量計(jì)，極低的損耗電流保證在這些應(yīng)用中電池具有較長的有效使用時(shí)間。

TDC-GP2可自動(dòng)完成測量，微處理器只需發(fā)送一個(gè)開始命令，TDC-GP2就會(huì)自動(dòng)觸發(fā)傳感器并測量飛行時(shí)間，計(jì)算出結(jié)果并傳送給微處理器。

溫度傳感器采用Pt1000鉑電阻，測量精度為0.01℃。在一定的溫度范圍內(nèi)，鉑電阻的電阻與溫度成線性關(guān)系。由于其精度較高，只要準(zhǔn)確地測量出其電阻，便能根據(jù)電阻-溫度的線性關(guān)系得出對(duì)應(yīng)的溫度［3］。

2.3 LCD液晶顯示模塊

液晶顯示器LCD可顯示用熱量、供熱介質(zhì)流量、供水溫度、回水溫度、熱費(fèi)、累計(jì)工作時(shí)間等相關(guān)信息。通過熱量表面板上的按鍵可設(shè)置開始計(jì)時(shí)時(shí)間及選擇相關(guān)信息等。

2.4 M-BUS總線

儀表總線M-BUS（歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1434-3）是專為計(jì)量儀表數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計(jì)的，目前主要用于熱計(jì)量領(lǐng)域，也可用于其他計(jì)量領(lǐng)域，主要特點(diǎn)如下:

1）兩線制總線，通常采用雙絞線，沒有正、負(fù)極性之分，施工布線簡單;

2）采用獨(dú)特的電平特征傳輸數(shù)字信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng);

3）總線供電，降低維護(hù)成本;

4）總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，擴(kuò)展方便，組網(wǎng)成本低;

5）主從式異步半雙工傳輸，采用主叫/應(yīng)答的通信方式，有專門設(shè)計(jì)的報(bào)文格式。

4 軟件設(shè)計(jì)

超聲波熱能表的軟件設(shè)計(jì)是根據(jù)軟件要實(shí)現(xiàn)的功能和低功耗兩個(gè)主要目的而設(shè)計(jì)的。主程序非常簡單，當(dāng)MSP430芯片上電復(fù)位后，立即進(jìn)入初始化，開始主時(shí)鐘頻率的選擇以及外部I/O端口的配置等，完成初始化配置后，主程序打開中斷使能，MSP430單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式，等待中斷觸發(fā)。一旦有中斷觸發(fā)信號(hào)，MSP430單片機(jī)會(huì)被立即喚醒，進(jìn)入執(zhí)行相應(yīng)的中斷子程序。中斷子程序執(zhí)行結(jié)束后，單片機(jī)再次進(jìn)入低功耗模式，處于休眠狀態(tài)，等待下次中斷觸發(fā)信號(hào)。因此，大部分時(shí)間，單片機(jī)都處于低功耗模式，這可以使整個(gè)系統(tǒng)的功耗降到非常低［4］。

限于篇幅，本文只給出用TDC-GP2測量芯片的流量測量的軟件流程。如圖4所示。

圖4 流量測量子程序流程圖

流量測量是超聲波熱能表測量的關(guān)鍵部分，是熱能表測量的核心。主要通過測量超聲波在水中的飛行時(shí)間來測流速，進(jìn)而積算出流量、熱量的。為了消除電路延時(shí)以及傳感器誤差等其他影響，需要對(duì)水流進(jìn)行兩次測量，包括超聲波在水中的順流飛行時(shí)間和逆流飛行時(shí)間，通過計(jì)算出兩者的時(shí)間差，可以較為精確地計(jì)算出水流的速度。

超聲波在順流中的飛行時(shí)間測量如圖4所示，每一次流量測量的開始都要對(duì)TDC-GP2進(jìn)行初始化，重新配置TDC-GP2，當(dāng)然也需要對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行再次校準(zhǔn)。時(shí)鐘校準(zhǔn)是以8個(gè)32.768 kHz的時(shí)鐘周期為基準(zhǔn)，對(duì)4 MHz的高速時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)。對(duì)于觸發(fā)脈沖發(fā)生器，4 MHz的高速時(shí)鐘頻率可以在內(nèi)部進(jìn)行倍增，并且除于8得到1 MHz的脈沖，而且發(fā)送脈沖的個(gè)數(shù)可以由軟件發(fā)送，可以最多發(fā)送15個(gè)脈沖。激活觸發(fā)脈沖器后，同測量溫度一樣，首先要對(duì)TDC-GP2的中斷引腳信號(hào)進(jìn)行檢測，若為高電平，則先讀出測量數(shù)據(jù)。然后讀取TDC-GP2的狀態(tài)寄存器，若GP2ST＆0x0600＞0，即 TDC-GP2測時(shí)溢出或預(yù)計(jì)數(shù)器溢出，需要重新測量。若判斷TDC-GP2狀態(tài)寄存器正常，則由MSP430單片機(jī)切換模擬開關(guān)通道，保證上游超聲波傳感器發(fā)射超聲波，下游傳感器接收超聲波信號(hào)。切換開關(guān)完成后，表明測量前預(yù)備工作基本結(jié)束，此時(shí)可啟動(dòng)發(fā)送激勵(lì)脈沖信號(hào)，本文采用發(fā)送15個(gè)1 MHz脈沖。

當(dāng)發(fā)射激勵(lì)脈沖的同時(shí)，啟動(dòng)TDC測時(shí)單元，開始計(jì)時(shí)。上游傳感器接收到激勵(lì)脈沖后，發(fā)射超聲波信號(hào)，下游傳感器接收到超聲波信號(hào)后產(chǎn)生微弱的電壓信號(hào)，經(jīng)過濾波、放大到TDC-GP2的Stop端口，結(jié)束計(jì)時(shí)。此時(shí)，超聲波順流飛行時(shí)間測量結(jié)束，同理可以測出超聲波逆流飛行時(shí)間。

時(shí)差測量程序如下:

5 結(jié)語

開發(fā)的超聲波流量計(jì)經(jīng)過實(shí)際系統(tǒng)測試，取得了較好的測量結(jié)果，系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定性都達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，并且系統(tǒng)設(shè)計(jì)在提高測量精度的同時(shí)大大降低了功耗。從而表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，切實(shí)可行。

［1］羅琴，李鳴，徐愛華.基于MSP430的熱量表的溫度測量［J］.計(jì)量與測試技術(shù)，2008.

［2］朱登科.高精度低功耗芯片TDC-GP2在熱表中的應(yīng)用［Z］.http://www.acam.de/fileadmin/Download/pdf/others/.

［3］李國洪，宋興風(fēng)，劉麗娜.超聲波熱量表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2009（8）.

［4］周杏鵬，仇國富.現(xiàn)代檢測技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2004.